Chùa Vĩnh Nghiêm được xây dựng vào thời Vua Lý Thái Tổ (1009 – 1028) với tên gọi là Chúc Thánh. Đến thời Vua Trần Nhân Tông (1278 – 1293), chùa được mở mang, trùng tu lại và đổi tên thành Vĩnh Nghiêm. Cuối thế kỷ 19, chùa thuộc địa phận thôn Đức La nên nhân dân trong vùng còn gọi là chùa La hay chùa Đức La.
Chùa từng là nơi thuyết pháp của Trúc Lâm Tam Tổ (Trần Nhân Tông, Pháp Loa, Huyền Quang) và là nơi đào tạo, định chức danh cho các tăng sĩ thời Trần. Nơi đây được coi là chốn tổ của thiền phái Trúc Lâm, có vị trí đặc biệt trong lịch sử Phật giáo thời Trần nói riêng và Phật giáo Việt Nam nói chung.
Nằm trên một quả đồi thấp, sau lưng là dãy núi Cô Tiên, mặt hướng ra nơi tụ hội của sông Thương và sông Lục Nam, chùa Vĩnh Nghiêm có tổng diện tích khoảng 10.000m² với lối kiến trúc đăng đối, cân xứng, hài hòa, bao gồm 5 tổ hợp chính là: Tam quan, Tam bảo, Nhà Tổ đệ nhất, gác chuông và Nhà Tổ đệ nhị.
Tam quan chùa được xây bằng gạch, khung cột gỗ, có kiến trúc 1 gian 2 chái với mái chồng diêm 2 tầng. Qua Tam quan, theo con đường lát gạch dài hơn 100m, du khách sẽ đến sân trước cửa tòa Tiền đường. Bên trái sân là một tấm bia đá xanh lục giác, đặt trên bệ sen, khắc chữ Hán ghi lại công đức tu sửa chùa vào năm Hoằng Định thứ 6 (1606). Bên phải sân là khu vườn tháp với 8 ngọn bảo tháp cổ kính, đặt xá lị của các vị sư tổ trụ trì chùa.
Tam bảo - khối kiến trúc chính thứ 2 của chùa - được thiết kế theo kiểu chữ công (工), bao gồm: Bái đường (chùa Hộ), tòa Thiêu hương và Thượng điện. Bái đường được thiết kế theo lối tàu bẩy, đao lá, mái 4 đao, 8 vì kèo kiểu chồng rường, thượng tam hạ tứ. Bên ngoài Bái đường đắp nổi hình cuốn thư được bao quanh bởi những đường viền hồi văn và hoa lá. Tòa Thiêu hương có kiến trúc theo kiểu 3 vì kèo, trang trí lộng lẫy bởi 3 lớp cửa võng cùng các bức hoành phi, câu đối thếp vàng. Các tượng Phật trong tòa Thiêu hương được bài trí trang nghiêm, cao dần từ ngoài vào trong. Đi hết Thiêu hương là đến Thượng điện gồm 3 gian 2 dĩ, có 4 mái đao cong với bờ nóc, bờ chảy gắn gạch hoa chanh hộp rỗng.
Khối kiến trúc chính thứ tư là gác chuông cao 2 tầng mái, tầng dưới dùng làm nơi tiếp khách, tầng trên treo một quả chuông đồng lớn đúc năm Minh Mạng thứ 11 (1830). Bộ khung tầng trên thiết kế theo kiểu vì giá chiêng với 4 mái đao cong. Hàng bẩy tiền và hậu được chạm khắc đơn giản, chủ yếu là hình lá cuộn. Gác chuông là chốn nghỉ ngơi thanh tịnh cho các tín đồ Phật tử cũng như du khách hành hương.Qua Tam bảo, du khách sẽ đến Nhà Tổ đệ nhất với lối kiến trúc cũng theo kiểu chữ công nhưng thấp và nhỏ hơn tòa Tam bảo, với 3 nếp nhà: Đại bái, ống muống và Hậu cung. Bên trong Hậu cung đặt tượng thờ ba vị Tổ khai sáng ra thiền phái Trúc Lâm (ở giữa là Trần Nhân Tông, bên phải là thiền sư Pháp Loa Đồng Kiên Cương (1284 – 1330) và bên trái là thiền sư Huyền Quang Lý Đạo Tái ( 1254 – 1334)). Tại đây còn có một tấm bia lớn nói về việc trùng tu, tôn tạo chùa Vĩnh Nghiêm do Hòa thượng Thích Thanh Hanh (1840 – 1936) soạn năm Bảo Đại thứ 7 (1932).
Khối kiến trúc cuối cùng là Nhà Tổ đệ nhị với kết cấu kiểu chữ đinh (丁), gồm 14 gian với 72 cột gỗ các loại. Nhà Tổ dài 27,8m, rộng 14m, có kết cấu khung gỗ kiểu vì kèo tam giác, thờ các vị sư Tổ trụ trì chùa và những người đã có công gìn giữ, tu bổ chùa.
Đặc biệt, chùa Vĩnh Nghiêm là nơi lưu giữ kho mộc bản với 3.050 bản ván khắc, trong đó hầu hết là kinh, sách, luật giới nhà Phật, trước tác của Tam thế tổ và một số vị cao tăng dòng thiền Trúc Lâm Yên Tử (thơ, phú, nhật ký...). Bộ mộc bản được khắc bằng chữ Hán và chữ Nôm không chỉ là tác phẩm thư pháp nghệ thuật tuyệt mỹ mà còn hàm chứa những giá trị tư tưởng, giáo lý sâu sắc của Phật phái Trúc Lâm, đồng thời đánh dấu quá trình phát triển của hệ thống văn tự Nôm qua các thời đại. Ngày 16/5/2012, mộc bản chùa Vĩnh Nghiêm đã được UNESCO công nhận là di sản tư liệu thế giới thuộc chương trình Ký ức thế giới khu vực châu Á – Thái Bình Dương.Không chỉ nổi bật với công trình kiến trúc đồ sộ, chùa Vĩnh Nghiêm còn được biết đến bởi các giá trị điêu khắc tinh tế, điêu luyện thể hiện qua hệ thống tượng Phật sắp xếp bài bản ở 3 khối nhà chính: Tam bảo, Nhà Tổ đệ nhất và Nhà Tổ đệ nhị. Ngoài ra, chùa còn có nhiều bức hoành phi - câu đối; hệ thống văn bia với 8 tấm ghi lại toàn bộ tiến trình lịch sử và phát triển của Trung tâm Phật giáo Vĩnh Nghiêm…